Калибровочные бозоны

    Передний край физики микромира быстро смещается на новый уровень − в область физики кварков и лептонов. На современном уровне познания фундаментальными частицами вещества считаются кварки и лептоны. Они имеют полуцелый спин и являются фермионами. Кроме кварков и лептонов существуют частицы с целым значением спина, переносящие взаимодействие между фундаментальными частицами. Эти частицы получили название калибровочных бозонов (таблица 3).

Таблица 3

Калибровочные бозоны

Взаимодействие

Характерная
константа
взаимодействия

Кванты
(калибровочные
бозоны)

Масса
кванта
(ГэВ)

Характерные масштабы (см)

Сильное

1

g (глюон)

0

~ 10-13

Электромагнитное

10-2

γ

<2·10-16

Слабое

10-6

W±

80.39

10-16

Z

91.19

Гравитационное

10-38

гравитон

 

Объединение взаимодействий

    Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий. Оказалось, что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
    Электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей − фотонами (γ-квантами) и глюонами. Фотоны и глюоны являются калибровочными бозонами электромагнитного и сильного полей.
    Гипотеза о том, что слабое взаимодействие также обусловлено обменом некоторой заряженной частицей было выдвинута Юкавой еще в тридцатых годах. Завершение эта идея получила в рамках единой теории, связывающей электромагнитные и слабые взаимодействия, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу.
    В этой теории, которая носит название "стандартная модель", предсказывается существование тяжелых заряженных бозонов W+ и W и нейтрального бозона Z0 со спином 1, обмен которыми и обуславливает слабое взаимодействие. В теории возникает также безмассовое векторное поле, отождествляемое с электромагнитным полем.
    В стандартной модели считается, что частицы приобретают массу в результате механизма Хиггса. Поле Хиггса заполняет все пространство, и все частицы приобретают массу при взаимодействии с ним. Квантами поля Хиггса является бозон Хиггса. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Масса его по экспериментальным оценкам должна быть больше 5 ГэВ.
    В этой модели распад нейтрона

n → p + e + aneutrino.gif (62 bytes)e

Рис. 17 Диаграмма распада d-кварка

на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа (рис.17). На первом этапе происходит превращение d-кварка в u-кварк и W-бозон

d → u + W

на втором W-бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино

W → e + aneutrino.gif (62 bytes)e.

По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые W или W+-бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты

и

со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T3 = +1/2 (nu1.gif (59 bytes)e,u) и T3 = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого изоспина имеют противоположные знаки.
Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются состояниями и . Они происходят с испусканием или поглощением W - или W +-бозонов. Слабые процессы с участием Z0-бозона были названы процессами с нейтральными слабыми токами.
    Таким образом в модели Вайнберга - Салама W, W+, Z0-бозоны и γ-квант являются квантами единого электрослабого поля. Стандартная модель, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных бозонов:

, ,

где θW − угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина sin2θW = 0.23.
    Обнаружение в 1973 г. слабых нейтральных токов явилось ярким подтверждением правильности стандартной модели, в которой были предсказаны значения масс промежуточных бозонов −
m(Z0) = ~90 ГэВ ; m(W±) = ~80 ГэВ
    Единственный практически реальный способ получения частиц такой массы состоял в том, чтобы сталкивать протонные и антипротонные пучки. Эксперимент был выполнен в 1983 году на pp-коллайдере ЦЕРН

p + → W ± + X,

p + → Z 0 + X,

где X - все другие частицы, образующиеся в результате столкновения протона и антипротона. Бозоны идентифицировались по распадам

W +(-)--->e +(-) + nu1.gif (59 bytes)e(aneutrino.gif (62 bytes)e),

Наблюдаемые в результате реакции заряженные лептоны с большими значениями поперечных импульсов служили доказательством образования бозонов. Полученные экспериментально значения масс бозонов (mэксп(W ±) = (81 ± 2) ГэВ, mэксп(Z0) = (93 ± 2) ГэВ) находились в очень хорошем согласии со стандартной теорией. Между открытием нейтральных токов и наблюдением векторных бозонов прошло 10 лет.
    В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения.

1 поколение 2 поколение 3 поколение

Заряженные токи в лептонных процессах получаются при движении по столбцам. Константы этих слабых процессов одинаковы или пока не различимы. Заряженные токи в процессах с кварками возможны не только при движении по столбцам, но и между поколениями, т.е. слабое взаимодействие смешивает кварки. Но слабые константы кварковых процессов

d → u + W и s → u + W

Рис. 18. Угол Кабиббо

отличаются друг от друга и от констант лептонных процессов. Казалось, что универсальность слабого взаимодействия нарушается. Однако оказалось, что эти константы можно связать между собой. Это уже в 1963 году было сделано Н. Кабиббо, который для связи констант β-распада и распада странных частиц ввел параметр − угол Кабиббо (рис.18). Универсальность слабого взаимодействия была сохранена. Но открытие нейтральных слабых токов поставило новую проблему − теория Кабиббо в этом случае предсказывает наличие нейтральных токов с изменением странности, что резко противоречит эксперименту. Для выхода из этого затруднения Глэшоу, Илиопулос и Майани ввели 4-ый кварк с тем же зарядом, что и u-кварк .Для четырехкварковой схемы столбцы для кварков записываются следующим образом (Когда Кабибо предложил свою параметризацию кварковой модели еще не было.)

.

При этом предсказывается, что основными каналами распада очарованных кварков являются каналы c → seνe и c → sμνμ, вероятность этих распадов пропорциональна cos2θc, и подавлены каналы c → deνe и c → dμνμ, вероятность которых пропорциональна sin2θc. В 1973 году М. Кобаяши и Т. Маскава обобщили подход Кабиббо на шестикварковую схему. Это минимальная по числу кварков модель, в которой, наряду с тремя углами смешивания θ12, θ23, θ13 можно ввести фазу δ13, описывающую нарушение СР-инвариантности. Смешивание трех поколений кварков описывается матрицей Кабиббо-Кобаяши- Маскавы

где cij = cosθij, sij = sinθij  элементы матрицы - комбинации синусов и косинусов углов поворота. Например, первый элемент это − произведение cosθ12×cosθ13. Современные оценки углов:
θ12  = ~130, θ23 = ~20, θ13 = ~0.10. Так как cosθ13 отличается от единицы только в шестом знаке после запятой, результаты, полученные в четырехкварковой схеме, сохраняются.
    Для определенных таким образом d', s', b'-кварков константа слабого взаимодействия имеет одинаковое значение для лептонных и кварковых семейств.
    Смешивание поколений кварков стимулировало интерес к проблеме осцилляций и смешивания нейтрино. Существует ли смешивание поколений лептонов?
    До сих пор говорилось об объединении электромагнитных и слабых взаимодействий. Начав с четырех взаимодействий и создав теорию электрослабых взаимодействий, физики свели их число к трем. Нельзя ли сделать следующий шаг, объединив электрослабое взаимодействие с сильным? Сильное взаимодействие проявляется между кварками, а слабое между лептонами и кварками. В результате слабых взаимодействий один тип кварков может превращаться в другой

d → u + e +aneutrino.gif (62 bytes)e.

    Слабые взаимодействия приводят к распаду μ и τ-лептонов. Так мюон распадается, превращаясь в электрон и нейтрино и антинейтрино

μ → νμ + e +aneutrino.gif (62 bytes)e.

    Модели, в которых рассматривается объединение электрослабого и сильного взаимодействий, называются Великим объединением. В основе Великого объединения лежит гипотеза, что сильное и электрослабое взаимодействия являются низкоэнергетичными компонентами одного и того же калибровочного взаимодействия, описываемого единой константой. Наблюдаемые на опыте константы взаимодействий сильно различаются при энергии ~ 1 ГэВ и зависят от расстояния. Предполагается, что на расстоянии ~ 10-28 см константы становятся одинаковыми. Согласно простейшей модели Великого объединения, сильное и электрослабое взаимодействия объединяются при энергии ~1015 ГэВ. В лабораторных условиях вряд ли достижимы такие энергии. Однако есть явление, которое следует из такой объединенной теории. В этой модели протон должен быть нестабильной частицей, правда, с большим временем жизни. Если сильное и электрослабое взаимодействия являются разными проявлениями более общего взаимодействия, то кварки и лептоны должны быть компонентами одного и того же мультиплета. Следовательно, возможны процессы, в которых кварки могут превращаться в лептоны. Это значит, что протон, состоящий из кварков, не может быть абсолютно стабильным, а может распадаться, превращаясь в более легкие частицы. Например, возможны распады

p → π0 + e+,
p → π+ +aneutrino.gif (62 bytes).

    По оценкам в рамках единой теории сильных и электрослабых взаимодействий время жизни протона ~1032 лет. В настоящее время ведутся интенсивные эксперименты по поиску нестабильности протона.
    Еще одним кандидатом на единую теорию являются суперсимметричные теории. В этих теориях фермионы имеют суперпартнеров, которые должны быть бозонами, а бозоны - суперпартнеров, которые должны быть фермионами. В суперсимметричных теориях постулируется существование операторов op_Q, которые переводят бозоны |b> в фермионы |f>

op_Q|b> = |f>.

Сопряженные операторы превращают фермионы в бозоны. Оператор op_Q оставляет неизменными все квантовые числа частицы, за исключением спина. На поиск суперсимметричных партнеров направлен целый ряд экспериментов на действующих и строящихся коллайдерах.
    Переносчиком гравитационного взаимодействия в квантовой теории гравитации считается - гравитон - безмассовая частица со спином 2. Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы.
    Предпринимаются попытки объединенного описания всех четырех фундаментальных взаимодействий, основанные на концепции суперсимметрии. Подобные схемы называются расширенной супергравитацией. Согласно этим теориям интенсивность гравитационного взаимодействия должна сравниваться с интенсивностью объединенных взаимодействий при энергиях близких к массе Планка

mp ≈ (ћc/G)1/2 1.2·1019 ГэВ/c2.

Характерные размеры, соответствующие массе Планка ~10-33 см.

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru